Intelligent Machines and Systems English

TERVETULOA SYSTEEMITEKNIIKAN TUTKIMUSRYHMÄN SIVUILLE!

Systeemitekniikka, yhdessä Mekatroniikan ja konediagnostiikan ryhmän kanssa, muodostaa Älykkäiden koneiden ja järjestelmien tutkimusyksikön (Intelligent Machines and Systems eli IMS). IMS on teknillisen tiedekunnan automaatioon keskittyvä yksikkö.

Kuva, joka sisältää kohteen teksti, ympyrä, kuvakaappaus, Fontti

Kuvaus luotu automaattisesti

Systeemitekniikan ryhmä suuntautuu prosessiautomaation säätö- ja systeemitekniikan teoriaan, menetelmiin ja sovelluksiin, erityisesti energiatekniikassa. Tutkimusaluemme kattaa mm. seuraavat aihealueet:

· dynaamiikan mallinnus,

· estimointi ja identifiointi,

· säätö,

· optimointi ja päätöksenteko.

Systeemitekniikan henkilöstöä:

· Enso IKONEN, säätö- ja systeemitekniikan professori, systeemitekniikan dosentti, TkT

· Jukka HILTUNEN, lehtori, tutkinto-ohjelmavastaava, TkL

· István SELEK, post.doc tutkija, dynaamisten prosessi- ja energiajärjestelmien dosentti, TkT

· Jenö KOVÁCS, yliopistotutkija, voimalaitosautomaation dosentti, TkT

· Joni VASARA, DI, tohtorikoulutettava (väitöskirjatutkija)

· Pierre JAOUEN, DI, tohtorikoulutettava (väitöskirjatutkija)

· Tommi KONTTINEN, tutkimusapulainen (diplomityöntekijä)

· Manne TERVASKANTO, TkL, tuntiopettaja

Yhteystiedot: Etunimi.Sukunimi@oulu.fi tai Oulun yliopiston puhelinluettelo.

Ajankohtaista systeemitekniikasta:

· Enemmän irti vesivoimasta T&T supergraafi 34/2024 https://www.tekniikkatalous.fi/viikko/43-2024

· Suomalainen yhtiö kehitti maailman parhaan turbiinisäätäjän – on tarkka ja säästää koneistoa Tekniikka &Talous 25/2024

· Maailman kehittynein turbiinisäätäjä 5/2024

· H2020 Spire COGNITWIN-hankkeen videodemonstraatiot 2/2023 työkaluista ja nuohouksen hallinnasta:

Uusimpia julkaisuja:

· 2023-25:

o Vasara, J., I. Selek. and E. Ikonen (2025) Hybrid power plant in FCR-N provision: An analysis of storage sizing in connection with turbine stress reduction. Electric Power Systems Research, 239, Feb 2025 https://authors.elsevier.com/sd/article/S0378-7796(24)01129-5

o Vasara, J., I. Selek. and E. Ikonen (2024) Sizing of energy storage for hybrid power plants aiming for turbine stress reduction under FCR-N requirements. Journal of Energy Storage, 103, Part A, 1 December 2024 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X24038064

o Ikonen, E., M. Liukkonen, A. Hansen, M. Edelborg, O. Kjos, I. Selek and A. Kettunen (2023) Fouling monitoring in a circulating fluidized bed boiler using direct and indirect model-based analytics. Fuel, 346, pp. 128341. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.128341

o Johansen, S. T., P. Unal, Ö. Albayrak, E. Ikonen, K. J. Linnestad, S. Jawahery, A. K. Srivastava, B. T. Løvfall (2023) Hybrid and Cognitive Digital Twins for the Process Industry. Open Engineering, 23, pp. 1–13 https://doi.org/10.1515/eng-2022-0418

o Ikonen, E., T. Liedes and J. Vasara (2023) Model predictive controlled subsurfacedrainage and irrigation for peatland groundwater management. 22^nd IFAC World Congress, 9-14 June 2023, Yokohama. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405896323010418

o Ikonen, E., J. Torvela, M. Törmälä, J. Savela, M. Pylvänäinen, J. Vasara and T. Liedes (2023) Subsurface drainage and irrigation automation for cultivated land groundwater management. Automaatiopäivät / Automation Days (AP/AD 2023), 28-29 March 2023, Helsinki. (Long abstract, esityskalvot)

· Valikoituja juttuja ennen 2023:

o Vasara, J., I. Selek and E. Ikonen (2022) Stress reduction of turbine units in hybrid power plants: an operational perspective. 10th International Conference on Control, Mechatronics and Automation (ICCMA 2022), Luxembourg 9–12 Nov 2022.

o Neuvonen, M., I. Selek, E. Ikonen and L. Aho (2022) Heat exchanger fouling estimation for combustion–thermal power plants including load level dynamics. International Conference on Systems, Man and Cybernetics (IEEE SMC 2022) 9–12 Nov 2022, Prague (IEEE Xplore)

o Ikonen, E. M. Neuvonen, I. Selek, M. Salo, M. Liukkonen (2022) On-line estimation of circulating fluidized bed boiler fuel composition. 2022 UKACC 13^th International Conference on Control (CONTROL 2022), 20-22 April 2022, Plymouth, UK. (IEEE Xplore)

o Ikonen, E. and I. Selek (2021) Fusing Physical Process Models with Measurement Data Using FIR Calibration, Control Engineering and Applied Informatics, 23, nro 2, pp. 67-76. (CEAI)

o Zotică, C., L. Nord, J. Kovács, S. Skogestad (2020) Optimal operation and control of heat to power cycles: a new perspective from a systematic plantwide control approach. Computers and Chemical Engineering, 141. (CCE)

Systeemitekniikka on vahva osaaja menetelmätekniikassa: mm. dynaamisten järjestelmien fysikaalisessa ja kokeellisessa mallintamisessa, estimoinnin ja säädön menetelmissä ja teoriassa, sekä optimoinnin, tekoälyn ja operaatiotutkimuksen tekniikoissa.

Valikoituja julkaisuja:

Selek, I., J. Vasara and E. Ikonen (2022) Generalized orthogonalization: a unified framework for Gram-Schmidt orthogonalization, SVD and PCA. International Conference on Systems, Man and Cybernetics (IEEE SMC 2022) 9–12 Nov 2022, Prague (IEEE Xplore)

Ikonen, E. and I. Selek (2021) Fusing Physical Process Models with Measurement Data Using FIR Calibration, Control Engineering and Applied Informatics, 23, nro 2, pp. 67-76. (CEAI)

Selek, I. and E. Ikonen (2019) Role of speciﬁc energy in the decomposition of time-invariant least-cost reservoir ﬁlling problem. European Journal of Operational Research, 272 (2), pp. 565-573

Selek, I and E. Ikonen (2019) Fundamental Limitations of the Decay of Generalized Energy in Controlled (Discrete–Time) Nonlinear Systems Subject to State and Input Constraints. Int. J Applied Mathematics and Computer Science, 29 issue 4. (AMCS)

Ikonen, E., I. Selek and K. Najim (2016) Process control using finite Markov chains with iterative clustering. Computers & Chemical Engineering, 93, 293–308.

Najim, K., E. Ikonen and P. Del Moral (2006). Open-loop regulation and tracking control based on a genealogical decision tree. Neural Computing & Applications, 15, no. 3/4, pp. 339-349.

Najim, K., A. Poznyak and E. Ikonen (2004). Optimization based on a team of automata with binary outputs. Automatica, 40 (8), pp. 1349-1359.

Käytämme menetelmätekniikkaa ja prosessiosaamistamme automaation keskeisissä sovelluskohteissa:

· monitorointi,

· prosessien säätö ja ohjaus, lyhyen aikavälin optimointi,

· käynnissäpito ja kunnossapito.

Panostamme tieteelliseen osaamiseen dynaamisten energiajärjestelmien hallinnassa tarvittavassa osaamisessa. Teemme tutkimusta pitkäjänteisessä yhteistyössä maailman suurimman CFB-kattiloiden valmistajan (Sumitomo SHI FW Energia Oy). Teemme muutoinkin aktiivista yhteistyötä prosessi- ja energiateollisuuden kanssa. Projektiportfoliostamme löydät tarkempia esimerkkejä.

Opetuksemme kattaa säätöteorian sen perusteista kehittyneisiin menetelmiin, automaatiotekniikan järjestelmät, sekä prosessitekniikan sovelluksia energiatekniikassa. Ohjaamme opinnäytetöitä kaikilla tasoilla: TkK, DI, TkT. Järjestämme jatko-opintokursseja tohtoriopiskelijoidemme tarpeisiin. Kehitämme automaatioalan opetusta tiivissä yhteistyössä muiden Oulun alueen automaatio-oppilaitosten kanssa.

Valikoituja julkaisuja:

Hiltunen, J., E-P Heikkinen, J Jaako, J Ahola (2011). Pedagogical basis of DAS formalism in engineering education. European Journal of Engineering Education, 36 (1) pp. 75-85.

Honkanen, S. (2011) Tekniikan ylioppilaiden valmistumiseen johtavien opintopolkujen mallintaminen - perusteena lukiossa ja opiskelun alkuvaiheessa saavutettu opintomenestys. Acta Universitatis Ouluensis C376.

Najim, K., E. Ikonen and D. Aït-Kadi (2004). Stochastic Processes: Estimation, Optimization and Analysis. Kogan Page Science, London, U.K. (textbook) ISBN 1903996554.

Ikonen, E. and K. Najim (2002). Advanced Process Identification and Control, Marcel Dekker Inc., New York, U.S.A., 310 p. (textbook) ISBN 0-8247-0648-X.

Najim, K. and E. Ikonen (1999) Outils mathématiques pour le génie des procédés. Dunod Editeur, Paris, France, 223 p. (text book) ISBN 2 10 004591 1

Systeemitekniikan projektiportfolio

Projektiportfoliomme keskeinen juonne löytyy energiatekniikan teollisuussovelluksista. Alla otteita:

· Kiertoleijukattilan (CFB) mallinnus ja säätöasioissa teemme tutkimusta yhteistyössä Sumitomo SHI FW Energia Oy:n kanssa. SFW on maailman suurin CFB kattiloiden valmistaja.

o OffgridH2 (2024) hankkeessa tutkitaan elektrolyyserin konseptuaalista säätörakennetta (linkittyy CLIC OffgridH2 -projektiin).

o CaLby2030 (2024) hankkeessa valmistellaan CaL prosessin konseptuaalista säätöä (linkittyy EU-Horizon CaLby2030 hankkeeseen)

o SmartFlex hankkeessa (2020–2023) teemana oli ketterä CFB automaatio.

o Pitkässä CFBCON hankesarjassa (2010–2020 ) aiheena on ollut CFB:n mallinnus ja säätökehitys.

o COMBO-CFB-hankkeessa (2014-16) tarkasteltiin yhteistuotantoa CFB + CSP (concentrated solar power, yhdessä VTT:n kanssa.

Valikoituja julkaisuja:

Ikonen, E., M. Liukkonen, A. Hansen, M. Edelborg, O. Kjos, I. Selek and A. Kettunen (2023) Fouling monitoring in a circulating fluidized bed boiler using direct and indirect model-based analytics. Fuel, 346, pp. 128341. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.128341

Neuvonen, M., I. Selek, E. Ikonen and L. Aho (2022) Heat exchanger fouling estimation for combustion–thermal power plants including load level dynamics. International Conference on Systems, Man and Cybernetics (IEEE SMC 2022) 9–12 Nov 2022, Prague (IEEE Xplore)

Zotică,C., L. Nord, J. Kovács, S.Skogestad (2020) Optimal operation and control of heat to power cycles : a new perspective from a systematic plantwide control approach. Computers and chemical engineering, 141,

Hultgren, M., E. Ikonen and J. Kovacs (2019). Integrated Control and Process Design for Improved Load Changes in Fluidized Bed Boiler Steam Path. Chemical Engineering Science, 199, pp. 164-178.

Niva, L. (2018) Self-optimizing control of oxy-combustion in circulating fluidized bed boilers. Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica. http://jultika.oulu.fi/Record/isbn978-952-62-2130-4

Hultgren, M., E., Ikonen and J. Kovacs (2017) OTU-CFB boiler control design with the dynamic relative gain array and partial relative gain. Industrial & Engineering Chemistry Research, 56 (48), pp. 14290-14303

Selek I., Kovacs J., Ikonen E. and A. Kettunen (2017) COMBO-CFB: Integration of concentrated solar power with circulating fluidized bed power plants. 12th International Conference on Fluidized Bed Technology (CFB-12) 23-26 May, Krakow, Poland.

Niva, L., E. Ikonen and J. Kovács (2015). Self-optimizing control structure design in oxy-fuel circulating fluidized bed combustion, International Journal of Greenhouse Gas Control, 43, 93-107.

Hultgren, M., E. Ikonen, J. Kovács, (2014) Oxidant Control and Air-Oxy Switching Concepts for CFB Furnace Operation. Computers & Chemical Engineering, 16, pp 203-219.

Ikonen, E., J. Kovacs and J. Ritvanen (2013) Circulating fluidized bed hot loop analysis, tuning and state-estimation. International Journal of Innovative Computing, Information and Control, 9 (8) , pp. 3357-3376.

Ikonen, E., K. Najim and U. Kortela (2000). Neuro-fuzzy modelling of power plant flue-gas emissions. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 13, no. 6, pp. 705–717.

Matias Hultgrenin väitöstilaisuus aiheesta Säätösuunnittelu CFB-kattiloille yhdistettynä prosessisuunnitteluun, 3.12.2021 klo 13, L6, Linnanmaa, Oulu: väitöskirja.

· Vesivoiman dynaaminen mallinnus, säätö ja optimointi

o Hankesarjassa PVO Vesivoima Oy:n kanssa (2017-2025) on aiheina mm. taajuusreservimarkkinoille osallistumisen varmistamista sekä sähköakuston integrointitapoja. Tutkimuksen tuloksena oleva vesivoiman säätöratkaisu on käytössä, patentointi käynnissä, kehitys jatkuu.

o Päiväoptimointia tarkastelevassa hankkeessa (2020) rakennettiin malli Iijoen voimalaitosaltaille ja muotoiltiin ja ratkaistiin optimointitehtävä.

Vasara, J., I. Selek. and E. Ikonen (2025) Hybrid power plant in FCR-N provision: An analysis of storage sizing in connection with turbine stress reduction. Electric Power Systems Research, 239, Feb 2025 link

Vasara, J., I. Selek. and E. Ikonen (2024) Sizing of energy storage for hybrid power plants aiming for turbine stress reduction under FCR-N requirements. Journal of Energy Storage, 103, Part A, 1 December 2024 link

Vasara, J., I. Selek and E. Ikonen (2022) Stress reduction of turbine units in hybrid power plants: an operational perspective. 10th International Conference on Control, Mechatronics and Automation (ICCMA 2022), Luxembourg 9–12 Nov 2022.

Vasara, J., I. Selek and E. Ikonen (2021) Asymptotic analysis of a control–oriented open channel flow model. Int. Conf. on Systems and Control (ICSC’21), 24-26 Nov 2021, Caen, France, 2021.

Pohjolan Voima (2020) Innovaatio säätää vesivoimalaa entistä nopeammin ja tarkemmin link

Pohjolan Voima (2021) Uusi turbiinisaataja säästää laskentatehoa ja koneistoa link

· Maatalouden ja maankäytön automaatio

o Osallistumme Suomen Akatemian Digitaaliset vedet -lippulaivan toimintaan (2024-2027).

o TurPo (2022-2025) käsittelee turvepeltojen vesienhallinnan toteuttamista valuma-aluetason tarkastelun ja pohjavedenpinnan monitoroinnin pohjalta. Mukana Luke, Uponor ja Valio.

o Vesihiisi-hankkeessa (2021–2024) perehdytään turvepeltojen vesienhallintaan säätökaivojen avulla, yhteistyössä Luken, maanmittauslaitoksen ja salaojayhdistyksen kanssa. IMS:in fokuksessa on säätökaivojen verkoston automaatio.

o PeltoSäätö hankkeessa säätökaivoja pilotoidaan yhdessä kpedun kanssa.

o ESKE (2021-2022) -hankkeessa rakennetaan säätökaivon laitteisto.

Ikonen, E., T. Liedes and J. Vasara (2023) Model predictive controlled subsurfacedrainage and irrigation for peatland groundwater management. 22nd IFAC World Congress, 9-14 June 2023, Yokohama (linkki)

· Digitaaliset kaksoset, tekoäly ja koneoppiminen (AI/ML, IoT)

o COGNITWIN Horizon 2020 SPIRE hankkeessa (2019–2023) olivat mukana mm. SINTEF, Cybernetica, Fraunhofer ja SFW. Hankkeen aiheena digitaaliset kaksoset ja niiden ominaisuuksien kehittäminen kognitiiviseen suuntaan. IMS osuudessa sovelsimme tuloksia polttoainesyötön ja lämmönsiirtopintojen likaantumisen on-line analytiikkaan. Kts. www.cognitwin.eu tai COGNITWIN www-sivumme.

o Professoripoolin tutkimusvapaalla (2015–16) tutkittiin Markovin ketjuja prosessien säädössä vierailulla UMA/ISA:an Málagassa. Sovelluskohteita löytyi myös mekatroniikan alueelta.

Valikoituja julkaisuja:

Johansen, S. T., P. Unal, Ö. Albayrak, E. Ikonen, K. J. Linnestad, S. Jawahery, A. K. Srivastava, B. T. Løvfall (2023) Hybrid and Cognitive Digital Twins for the Process Industry. Open Engineering, 23, pp. 1–13 https://doi.org/10.1515/eng-2022-0418

Ikonen, E. and I. Selek (2021) Fusing Physical Process Models with Measurement Data Using FIR Calibration, Control Engineering and Applied Informatics, 23, nro 2, pp. 67-76. (CEAI)

E. Ikonen and I. Selek (2020) Calibration of Physical Models with Process Data using FIR Filtering, 2020 Australian and New Zealand Control Conference (ANZCC), Gold Coast, Australia, 2020, pp. 143-148.

Rankinen, A., E. Ikonen and T. Liedes (2018) Validation of a nonlinear two-dimensional MacPherson suspension system model with multibody simulations. International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications (IEEE ASME MESA 2018), 2-4 July, Oulu, Finland

Ikonen, E. (2017) Active suspension control with state estimation using finite Markov chains. International Journal of Advanced Mechatronic Systems 7 (3) 183–192.

Ikonen, E., I. Selek and K. Najim (2016) Process control using finite Markov chains with iterative clustering. Computers & Chemical Engineering, 93, 293–308.

· Vesi- ja kaukolämpöverkoston operoinnin optimointi

o EaaSlab hankkeessa (2019–2021) kehitettiin energia-alan pilot-ympäristöä. IMSin roolina on rakentaa digitaalinen kaksonen kaukolämpöverkolle. Hanke toteutetaan yhdessä OAMK:n kanssa.

o Suomen Akatemian OPUS hankkeessa (2011–2014) sovelluskohteena oli Sopronin kaupungin vesijohtoverkoston mallinnus ja pumppauksen optimointi. Hankkeessa oli yhteistyökumppanina BUTE/HDS Budapestistä.

o DINO osahankkeessa (OPUS, 2013–2014) kohteena oli Kemin kaukolämpöverkoston mallinnus ja operoinnin dynaaminen optimointi, yhteistyössä Kemin Energian kanssa

o Kemin kaukolämpöverkon simulointiesimerkki, ulkopuolisen lämmönlähteen vaikutus verkostossa (5 min askelväli).

Valikoituja julkaisuja:

Ikonen, E., I. Selek, J. Kovacs & M. Neuvonen (2016). Examination of operational optimization at Kemi district heating network. Thermal Science 20 (2), pp 667-678 (link to TS)

Bene, J. (2013) Pump schedule optimisation techniques for water distribution systems. Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica. http://jultika.oulu.fi/Record/isbn978-952-62-0266-2

Selek, I., J. Bene and E. Ikonen (2013) Utilizing permutational symmetries by dynamic programming – Application for the optimal control of water distribution systems under water demand uncertainties. International Journal of Innovative Computing, Information and Control, 9 (8), pp. 3091-3114.

Ikonen, E, I. Selek and J. Bene (2012). Optimization of pumping schedules using the genealogical decision tree approach. Chemical Product and Process Modeling, 7 (1), 1-25.

· Kiinteistön kulutusjouston optimointi

o VIRPA hankkeessa (2015–2017) mallinnettiin päivittäiskaupan kylmälaitteet ja suunniteltiin S-Marketin varastointikapasiteetin dynaaminen mallinnus ja optimointi. Hankkeessa olivat mukana mm VTT, Jetitec, S-Voima, Rejlers sekä Fingrid.

Valikoituja julkaisuja:

Ikonen, E. and I. Selek (2018) Dynamic modelling and optimization of a supermarket CO_2 refrigeration system for demand side management. 15th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (IEEE CCE 2018), 5-7 Sept 2018, Mexico City.

· Automaation koulutus ja pilot-ympäristöt

o OTTO (2024-2025) hankkeessa tuetaan algoritmista ajattelua.

o KOTODIPPI (2021-2023) paransi Pohjois-Pohjanmaan alueen koulutusorganisaatioiden digiopetusvalmiuksia, erityisesti hankkeessa keskitytään Stack ja GeoGebra -koulutuksiin.

o Jatkuva oppiminen korkeakouluissa energia-, sähkö- ja talotekniikka-aloilla ELVIS (2021–2023) -hankkeen simulaatiolaboratoriossa hyödynnetään oppimisympäristöistä toteutettuja digitaalisia kaksosia todellisten olosuhteiden simulointiin. Hanke toteutettiin yhteistyössä OAMK:n ja ammatillisen opettajakorkeakoulun kanssa.

o Automaation ympäristöt ovat osa EaaSlab hybridilaboratoriohanketta (2019–2021), kattaen mm. lämmöntuotannon, lämpöverkon, lämmönvaihtimet, sähköverkon, aurinkopaneelit, LVI:n, automaation ja kunnossapidon opetusympäristöjä Linnanmaalla.

o Automaation opetusympäristöt ja sen työelämälähtöinen koulutus olivat teemana EduAuto/DigiAuto hankkeissa (2017–2019), yhteistyössä OAMK ja OSAOn kanssa.

Valikoituja julkaisuja:
Neuvonen, M. and I. Selek (2021) Hybridilaboratorion kaukolämpöverkon digitaalinen malli – mallin kuvaus ja verifiointi. Älykkäät koneet ja järjestelmät 31.5.2021, 13 s (linkki).

Viimeksi päivitetty 26.11.2024 / Enso

Avainsanoja

Prosessien säätö säätötekniikka ohjaus prosessinohjaus process control automaatio automation process automation prosessiautomaatio ennustava säätö malliprediktiivinen säätö MPC model predictive control kehittynyt säätö advanced control

tilaestimointi state estimation monitorointi process monitoring prosessin seuranta Kalman filtteri Kalman suodin Kalman filter UKF unscented Kalman filtering EKF partikkelifiltteri particle filtering bayesian state estimation bayesilainen tilaestimointi

tekoäly ML AI koneoppiminen artificial inteligence IoT koneiden internet laitteiden internet neuroverkko sumea neural network fuzzy Markov chains Markovin ketjut finite state learning automata dynaaminen ohjelmointi Markovin prosessit dynamic programming Markov decision processes MDP

Matlab mallintaminen prosessien mallinnus dynaminen mallintaminen identifiointi estimointi data-driven modeling mittausperustainen mallintaminen datapohjainen mallintaminen Simulink SimScape Control System Toolbox

leijukerroskattila kiertopeti kiertoleijupeti CFB circulating fluidized bed boiler power plants voimalaitos voimalaitosautomaatio voimalaitosten säätö BFB CFBB AFB kupliva peti energiantuotanto puu hiili hake wood chips peat turve jätepuu RDF demolition wood flue gas emissions savukaasupäästöt kaukolämpö kulutusjousto district heating demand response